材料参数对汽车覆盖件冲压成形性能影响的数值模拟

作者：上海交通大学 包向军

欢迎访问e展厅 展厅 3 冲压模具/锻压/冷镦模具展厅 冲压模, 级进模, 拉深冲裁模, 冷冲模, 冲床模具, ... 摘要：使用基于动力显示算法的板料成形非线性有限元分析软件eta／DYANFORM 对一个典型的汽车覆盖件零件冲压成形过程进行了数值模拟。从大量的计算结果中，研究三个重要的材料力学性能参数即屈服强度吒、应变强化指数n和厚向异性系数r对最终零件冲压成形性能的影响。在分析软件的后处理器中观察板料的厚度变化、总拉深力、板料的最大变形位移和沿冲压方向的最大应力，并作出了相应的曲线。最后根据所作曲线的变化得到了材料性能参数影响板料冲压成形性能的有关结论。 关键词：材料参数；汽车覆盖件；冲压成移挫能；数值模拟 1 引言 金属薄板制品是具有很高经济附加值的产品，有关金属薄板成形也是在长期努力研究的课题。就材料本身来讲，影响金属薄板成形性能的一些主要参数有：抗拉强度、屈服强度、均匀伸长率、极限伸长率、屈强化、应变强化指数、厚向异性系数、平面各向异性系数等，其中任何一个或几个参数都不可能孤立地用来说明板料的成形性的好坏，所以现实的研究方法只能是研究尽量少的材料参数，并尽量将影响板料成形性的因素都考虑进去，来评定板料的成形性能。目前对板料成形性能的研究主要可分为理论和实践研究。理论研究包括失稳性、理论成形极限图(FLD)和成形过程计算机的数值模拟研究；实验研究包括基本成形和模拟成形研究。近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，有限元技术在工程中得到了极大的推广，使得对类似于覆盖件这样的复杂型面板料的成形进行仿真成为可能。使用板料成形CAE可以在计算机上模拟板料成形的全过程，并能对起皱、断裂等成形质量进行预测，还可以观察材料参数、模具参数、摩擦和润滑等边界条件等对成形性能的影响 ]。因此利用计算机数值模拟已经成为研究板料成形性能的一个强有力的手段，特别是对于那些传统简单的试验研究所力不能及的具有复杂形状的板料冲压零件，更显示了不可替代的优势。 我们通过一个汽车覆盖件零件的数值模拟，从大量的计算结果中，研究三个重要的材料参数即屈服强度σs、应变强化指数n和厚向异性系数r对最终零件成形性能的影响。 2 三个材料参数的简要描述 板料屈服强度是指当板料表现出可测的永久塑性变形时的工程应力。对有不连续屈服现象的材料，在发生屈服变形时，伸长不伴有载荷的增长或载荷的下降，在应力应变曲线上表现出一段屈服平台。对载何下降的情况，开始产生屈服伸长时的应力为屈服点，对伴随有载荷下降的情况，屈服平台为锯齿性，有上屈服点和下屈服点，一般以最小下屈服点应力作为屈服点。对投有明显屈服点的材料，应力应变曲线上不出现屈服平台，通常用有0．2 永久伸长变形时的应力作为屈服点。 应变强化指数n 和材料的应力一应变本构关系密切相关。一般板料的应力一应变本构关系可有幂次式近似表示为： σ=AEn，其中幂指数n被称为应变强化指数。n值在数量上还等于(或近似等于)单向拉伸时材料刚要出现颈缩时的实际应变。 厚向异性参数r(又称为塑性应变比)反应了板厚方向和板料平面之间的塑性差异，常用几个方向的单向拉伸试样的宽度应变和厚度应变的比值的加权平均值来表示。 3 数值模拟模型的建立和计算分析 本研究针对某型轿车的门内板，对其作了冲压动态仿真，从仿真计算结果来研究材料性能参数变化对覆盖件成形性能的影响。借助于CAD软件的造型功能，建立起成形分析所需的精确的曲面模型。然后通过专用的标准数据转换接El如IGES、DXF、VDA等，将曲面模型转入专用的板料成形有限元分析软件eta／DYNAFORM 前处理器中进行曲面网格的划分。建立起来的有限元网格模型见图1。 在定义好模具各部分的运动和边界条件以后就可以调用计算模块进行分析计算。取板料厚度为0．7mm，凸凹模间隙为25%，摩擦系数f=0．1，单位压边力=2．5MPa。然后每次变化σs、r、n三个参数中一个参数的数值，进行计算。 计算完毕后，计算结果可以在分析软件的后处理器中通过各种表达方式来观察，如等值线图、彩色云图、曲线图等可以方便地获知板料成形中各个阶段的应力应变、厚度变化、变形位移等。本研究考虑到门内板的变形特点，选用总拉深力、厚度变化、变形位移、板料中间的z方向(即冲压方向)的应力值和成形极限图作为评价成形性能好坏的主要指标。图2和图3为在仿真分析软件后处理器中的厚度分布变形位移图。 4 三个参数对零件成形性能的影响 以σs的计算为例，取 n=0．23，r=l_8时，从150MPa到250MPa变化σs的值，分别进行计算可以看出屈服强度σs 对板料成形厚度减薄和增厚度变化的影响、总拉深力、板料的变形位移的影响和z方向应力的影响，分别见图4～ 图8。曲线中虚线为实际数据所作曲线的三次拟合曲线。从所作出的材料参数与成形性能结果的变化关系可以得到以下结论：随着屈服强度σs的增大，板料变形厚度的减薄量减小，而厚度的增加量变大，板料的变形位移、总拉深力以及冲压方向的最大应力也都随之增大。从数值上来看，屈服强度σs对板料拉深所需的成形力影响较大，材料的成形性能影响较小。 取r=l_8、σs=200MPa时，分别计算从0．17到0．25变化应变强化指数n的值，然后再取n=0．23、σs=200MPa时，分别计算从1．3到2．0变化厚向异性指数r的值，可以看出应变强化指数n和厚向异性指数r对板料成形厚度减薄和增厚变化的影响、总拉深力、板料的变形位移的影响和z方向应力的影响。同样可以根据计算结果得到图4～图8的变化曲线。从所作曲线图上可以直观地了解到应变强化指数 和厚向异性指数r对板料成形性能的影响。 5 结论与展望 应用计算机仿真数值模拟可以方便地研究屈服强度、应变强化指数和厚向异性系数等材料力学性能参数对板料成形性能的影响，可以在计算机上了解这些参数对整个零件的成形带来那些结果。然而若想了解对板料表面粗糙及材料的晶体结构组织等涉及到微观本质的问题时，数值模拟就无能为力了，这时就必须要依靠物理模拟 实际上，在这一领域内的研究，物理模拟和数值模拟的有机结合正是现在和未来的方向。 参考文献： [1] 粱炳文，陈孝戴，王志恒 板金成形性能[M]．北京：机械工业出版杜，1999． [2： 肖景窖，姜奎华．冲压工艺学[M]．北京：机械工业出版杜，1990．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/27/2008)